NCSU: Budowa lepszego drzewa leśnego dzięki edycji genów CRISPR

Data opublikowania: lipiec 20, 2023

Naukowcy z North Carolina State University wykorzystali system edycji genów CRISPR do wyhodowania topoli o obniżonej zawartości ligniny, która stanowi główną barierę w zrównoważonej produkcji włókien drzewnych, przy jednoczesnej poprawie ich właściwości drewna. Znaleziska - opublikowane w czasopiśmie Nauka – obiecuj, że produkcja włókien do wszystkiego, od papieru po pieluchy, będzie bardziej ekologiczna, tańsza i wydajniejsza.

Prowadzony przez pioniera CRISPR stanu NC Rodolphe Barrangou i genetyk drzew Jacka Wangazespół naukowców wykorzystał modelowanie predykcyjne, aby wyznaczyć cele polegające na obniżeniu poziomu ligniny, zwiększeniu stosunku węglowodanów do ligniny (C/L) i zwiększeniu stosunku dwóch ważnych elementów budulcowych ligniny – syringylu do gwaiacylu (S/G) – w topoli drzewa. Barrangou i Wang twierdzą, że te połączone właściwości chemiczne stanowią najlepszy punkt w produkcji włókien.

„Korzystamy z CRISPR, aby zbudować bardziej zrównoważony las” – powiedział Barrangou, wybitny profesor Todda R. Klaenhammera Nauki o żywności, bioprzetwarzaniu i żywieniu w NC State i współautor artykułu do korespondencji. „Systemy CRISPR zapewniają elastyczność edycji więcej niż tylko pojedynczych genów lub rodzin genów, co pozwala na większą poprawę właściwości drewna”.

Model uczenia maszynowego przewidział, a następnie posortował prawie 70 000 różnych strategii edycji genów ukierunkowanych na 21 ważnych genów związanych z produkcją ligniny – niektóre zmieniające wiele genów jednocześnie – aby uzyskać 347 strategii; ponad 99% tych strategii było ukierunkowanych na co najmniej trzy geny.

Na tej podstawie badacze wybrali siedem najlepszych strategii, które sugerowało modelowanie, które doprowadziłyby do powstania drzew, które osiągnęłyby chemiczny słodki punkt – 35% mniej ligniny niż drzewa dzikie lub niezmodyfikowane; Wskaźniki C/L były o ponad 200% wyższe niż w przypadku dzikich drzew; współczynniki S/G, które były również o ponad 200% wyższe niż w przypadku dzikich drzew; i tempo wzrostu drzew podobne do dzikich.

Spośród tych siedmiu strategii naukowcy wykorzystali edycję genów CRISPR do wytworzenia 174 linii topoli. Po sześciu miesiącach w szklarni stanu NC badanie tych drzew wykazało obniżoną zawartość ligniny do 50% w niektórych odmianach, a także wzrost stosunku CL o 228% w innych.

Co ciekawe, jak twierdzą naukowcy, bardziej znaczącą redukcję ligniny wykazano w przypadku drzew z czterema do sześciu edycjami genów, chociaż drzewa z trzema edycjami genów wykazały redukcję ligniny aż do 32%. Edycje pojedynczych genów w ogóle nie zmniejszyły znacząco zawartości ligniny, co pokazuje, że zastosowanie CRISPR do wprowadzenia zmian wielogenowych może zapewnić korzyści w produkcji włókien.

W badaniu uwzględniono także zaawansowane modele młynów do produkcji celulozy, które sugerują, że zmniejszona zawartość ligniny w drzewach może zwiększyć wydajność miazgi i zmniejszyć ilość tzw. ługu czarnego, głównego produktu ubocznego roztwarzania, co może pomóc młynom wyprodukować do 40% bardziej zrównoważone włókna.

Wreszcie, efektywność stwierdzona w produkcji włókien może zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych związanych z produkcją masy celulozowej nawet o 20%, jeśli w drzewach na skalę przemysłową zostanie osiągnięta zmniejszona zawartość ligniny oraz zwiększone współczynniki C/L i S/G.

Drzewa leśne stanowią największy biogeniczny pochłaniacz dwutlenku węgla na Ziemi i odgrywają kluczową rolę w wysiłkach na rzecz ograniczenia zmian klimatycznych. Stanowią filary naszych ekosystemów i biogospodarki. W Karolinie Północnej leśnictwo wnosi do lokalnej gospodarki ponad $35 miliardów dolarów i zapewnia około 140 000 miejsc pracy.

„Multipleksowa edycja genomu zapewnia niezwykłą możliwość poprawy odporności, produktywności i wykorzystania lasów w czasie, gdy zmiany klimatyczne i potrzeba produkcji bardziej zrównoważonych biomateriałów stanowią wyzwanie dla naszych zasobów naturalnych” – powiedział Wang, adiunkt i dyrektor z Forest Biotechnology Group w stanie NC i współautor artykułu do korespondencji.

Kolejne kroki obejmują dalsze testy w szklarni, aby sprawdzić, jak drzewa poddane edycji genów radzą sobie w porównaniu z drzewami dzikimi. Później zespół ma nadzieję wykorzystać próby terenowe, aby ocenić, czy drzewa poddane edycji genów radzą sobie ze stresem powodowanym przez życie na świeżym powietrzu, poza kontrolowanym środowiskiem szklarniowym.

Naukowcy podkreślili znaczenie multidyscyplinarnej współpracy, która umożliwiła przeprowadzenie tego badania, obejmującego trzy uczelnie stanowe NC, wiele wydziałów, Inicjatywa NC Plant Sciences, stan NC Centrum Edukacji Molekularnej, Technologii i Innowacji Badawczych (METRIC)oraz uczelnie partnerskie.

„Interdyscyplinarne podejście do hodowli drzew, które łączy genetykę, biologię obliczeniową, narzędzia CRISPR i bioekonomię, znacznie poszerzyło naszą wiedzę na temat wzrostu i rozwoju drzew oraz zastosowań w lasach” – powiedział Daniel Sulis, doktorant w NC State i pierwszy autor artykułu. „To potężne podejście zmieniło naszą zdolność do rozwikłania złożoności genetyki drzew i wyciągnięcia zintegrowanych rozwiązań, które mogłyby poprawić ważne ekologicznie i ekonomicznie cechy drewna, jednocześnie zmniejszając ślad węglowy powstający przy produkcji włókien”.

Opierając się na wieloletnim dziedzictwie innowacji w dziedzinie nauk o roślinach i leśnictwie w stanie NC, Barrangou i Wang stworzyli firma startowa zwany TreeCo aby przyspieszyć wykorzystanie technologii CRISPR w drzewach leśnych. Celem tego wspólnego wysiłku kierowanego przez członków wydziału stanu NC jest połączenie wiedzy na temat genetyki drzew z możliwościami edycji genomu w celu stworzenia zdrowszej i bardziej zrównoważonej przyszłości.

Współautorami artykułu są naukowcy z kilku departamentów stanu NC, a także badacze z Uniwersytetu Illinois w Urbana-Champaign, Uniwersytetu Beihua i Northeast Forestry University. Finansowanie zapewnił Narodowy Instytut Żywności i Rolnictwa Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych – grant Inicjatywy na rzecz Badań nad Rolnictwem i Żywnością 2018-67021-27716; grant programu transferu technologii małych firm National Science Foundation Small Business 2044721; Spółdzielnia Państwowa Służba Badawcza Departamentu Rolnictwa Stanów Zjednoczonych, grant NCZ04214; Dotacje na bloki upraw specjalistycznych w Karolinie Północnej 19-019-4018, 19-092-4012 i 20-070-4013; grant z funduszu innowacyjnego rektora Uniwersytetu Stanowego NC 190549MA; oraz nagrodę Goodnight Early Career Innovator Award na Uniwersytecie Stanowym NC.

-kulikowski-

Uwaga dla redaktorów: Poniżej znajduje się streszczenie artykułu.

„Multipleksowa edycja drewna CRISPR w celu zrównoważonej produkcji włókien”

Autorski: Daniel B. Sulis, Xiao Jiang, Chenmin Yang, Barbara M. Marques, Megan L.
Matthews, Zachary Miller, Kai Lan, Carlos Cofre-Vega, Baoguang Liu, Runkun Sun,
Henry Sederoff, Ryan G. Bing, Xiaoyan Sun, Cranos M. Williams, Hasan Jameel, Richard
Phillips, Hou-min Chang, Ilona Peszlen, Yung-Yun Huang, Wei Li, Robert M. Kelly,
Ronald R. Sederoff, Vincent L. Chiang, Rodolphe Barrangou, Jack P. Wang

Opublikowany: 14 lipca 2023 r. w Nauka

DOI: 10.1126/science.add4514

Abstrakcyjny: Udomowienie drzew leśnych na rzecz bardziej zrównoważonej biogospodarki opartej na włóknach od dawna utrudnia złożoność i plastyczność ligniny, biopolimeru występującego w drewnie, który jest oporny na degradację chemiczną i enzymatyczną. Tutaj pokazujemy, że multipleksowa edycja CRISPR umożliwia precyzyjne projektowanie surowców drzewnych w celu kombinatorycznej poprawy składu ligniny i właściwości drewna. Oceniając każdą możliwą kombinację 69 123 strategii edycji wielogenowej dla 21 genów biosyntezy ligniny, wydedukowaliśmy 7 unikalnych strategii edycji genomu ukierunkowanych na jednoczesną zmianę maksymalnie 6 genów i wyprodukowaliśmy 174 edytowane warianty topoli. Edycja CRISPR zwiększyła stosunek węglowodanów drzewnych do ligniny do 228% typu dzikiego, co prowadzi do bardziej wydajnego roztwarzania włókien. Edycja drewna łagodzi główne wąskie gardło w produkcji włókien niezależnie od zmian w tempie wzrostu drzew i może przynieść niespotykaną dotąd wydajność operacyjną, możliwości bioekonomiczne i korzyści dla środowiska.

Źródło obrazu i artykułu: NCSU